(19)中华人民共和国国家知识产权局
(12)发明专利申请
(10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 202010659626.9
(22)申请日 2020.07.08
(71)申请人 中国铁道科学研究院集团有限公司
地址 100081 北京市海淀区大柳树路2号二
区9幢
申请人 北京中铁科新材料技术有限公司
中国铁道科学研究院集团有限公司
(72)发明人 王涛 贾恒琼 杜存山 祝和权
李海燕 吴韶亮 魏曌 杜玮
伊钟毓 南阳
(74)专利代理机构 北京瑞恒信达知识产权代理
事务所(普通合伙) 11382
代理人 李琰
(51)Int.Cl.C23C 10/56(2006.01)B22F 1/00(2006.01)B22F 9/10(2006.01)C23C 10/02(2006.01)
(54)发明名称
(57)摘要
本发明提供一种多元素粉末共渗剂及其应
用。所述多元素粉末共渗剂的原料包括：ZnAl15
合金粉10-25份、ZnAl19Cr1合金粉3-15份、Zn粉 0-5份、ZnBi5合金粉0-5份、氯化铵活化剂0.3-2
份、稀土催化剂0.1-1份、余量为填充粉料，总份
数为100份。权利要求书2页 说明书8页CN 111621737 A 2020.09.04
C N 111621737
A
1.一种多元素粉末共渗剂，原料包括：ZnAl15合金粉10-25份、ZnAl19Cr1合金粉3-15份、Zn粉0-5份、ZnBi5合金粉0-5份、氯化铵活化剂0.3-2份、稀土催化剂0.1-1份、余量为填充粉料，总份数为100份；所述填充粉料选自Al2O3颗粒或石英砂；
优选地，所述多元素粉末共渗剂，原料包括：ZnAl15合金粉12-18份、ZnAl19Cr1合金粉5-10份、Zn粉2-4份、ZnBi5合金粉2-4份、氯化铵活化剂0.8-1.5份、稀土催化剂0.4-0.8份、余量为填充粉料，总份数为100份；所述填充粉料选自Al2O3颗粒或石英砂；
优选地，所述多元素粉末共渗剂，所述ZnAl15合金粉、ZnAl19Cr1合金粉、Zn粉、ZnBi5合金粉平均粒径都小于75μm。
2.根据权利要求1所述的多元素粉末共渗剂，其特征在于，所述ZnAl19Cr1合金粉通过如下工艺制备得到：
将纯锌锭80份、AlCr5合金20份放入中空感应电炉中进行熔炼，熔炼温度730-800℃，充分熔化并搅拌均匀后，将获得的ZnAlCr合金熔液通过闭环绝氧离心雾化冷却，过筛去除粗颗粒，得到平均粒径小于75μm的ZnAl19Cr1合金粉。
3.一种多元素粉末共渗剂，原料包括：ZnAl15合金粉10-25份、ZnCu6.4Ni1.8合金粉3-15份、Zn粉0-5份、ZnBi5合金粉0-5份、氯化铵活化剂0.3-2份、稀土催化剂0.1-1份、余量为填充粉料，总份数为100份；所述填充粉料选自Al2O3颗粒或石英砂；
优选地，所述多元素粉末共渗剂，原料包括：ZnAl15合金粉12-18份、ZnCu6.4Ni1.8合金粉5-10份、Zn粉2-4份、ZnBi5合金粉2-4份、氯化铵活化剂0.8-1.5份、稀土催化剂0.4-0.8份、余量为填充粉料，总份数为100份；所述填充粉料选自Al2O3颗粒或石英砂；
优选地，所述多元素粉末共渗剂，所述ZnAl15合金粉、ZnCu6.4Ni1.8合金粉、Zn粉、ZnBi5合金粉平均粒径都小于75μm。
4.根据权利要求3所述的多元素粉末共渗剂，其特征在于，所述ZnCu6.4Ni1.8合金粉通过如下工艺制备：
将纯锌锭90份、市售锌白铜粉末10份放入中空感应电炉中进行熔炼，熔炼温度880-950℃，充分熔化后，将获得的ZnCuNi合金熔液通过闭环绝氧离心雾化冷却，过筛去除粗颗粒，得到平均粒径小于75μm的Zn91.8Cu6.4Ni1.8合金粉；其中，所述市售锌白铜粉末为CuNi18Zn18，细度300目。
5.一种多元素粉末共渗剂，原料包括：ZnAl15合金粉10-25份、ZnCu1Ti0.2合金粉5-15份、Zn粉0-5份
、ZnBi5合金粉0-5份、氯化铵活化剂0.3-2份、稀土催化剂0.1-1份、余量为填充粉料，总份数为100份；所述填充粉料选自Al2O3颗粒或石英砂；
优选地，所述多元素粉末共渗剂，原料包括：ZnAl15合金粉12-18份、ZnCuTi合金粉5-10份、Zn粉2-4份、ZnBi5合金粉2-4份、氯化铵活化剂0.8-1.5份、稀土催化剂0.4-0.8份、余量为填充粉料，总份数为100份；所述填充粉料选自Al2O3颗粒或石英砂；
优选地，所述多元素粉末共渗剂，所述ZnAl15合金粉、ZnCuTi合金粉、Zn粉、ZnBi5合金粉平均粒径都小于75μm。
6.根据权利要求5所述的多元素粉末共渗剂，其特征在于，所述ZnCu1Ti0.2合金粉由市售的ZnCu1Ti0.2合金通过如下工艺制备：
将市售ZnCu1Ti0.2合金板切成直径5mm以下块状，将小块状锌铜钛合金转移入中空感应电炉中进行熔炼，熔炼温度600-700℃，充分熔化后，将ZnCuTi合金熔液通过闭环绝氧离
心雾化冷却，过筛去除粗颗粒，得到平均粒径小于75μm的ZnCu1Ti0.2合金粉。
7.根据权利要求1、3或5所述的多元素粉末共渗剂，其特征在于，所述ZnAl5合金粉通过如下工艺制备：
Zn和Al按质量百分比Zn：Al＝85％：15％进行配料，转移入中空感应电炉中进行熔炼，熔炼温度660-730℃，保温0.5-1h，充分搅匀，将ZnAl15合金熔炼液通过闭环绝氧离心雾化冷却，过筛去除粗颗粒，得到粒径小于75μm的ZnAl15合金粉；
优选地，所述ZnBi5合金粉通过如下工艺制备：
Zn和Bi按质量百分比Zn：Bi＝95％：5％进行配料，转移入中空感应电炉中进行熔炼，熔炼温度420-500℃，保温0.3-0.5h，充分搅匀，将ZnBi5合金熔炼液通过闭环绝氧离心雾化冷却，过筛去除粗颗粒，得到粒径小于75μm的ZnBi5合金粉；
优选地，所述稀土催化剂选自镧和铈中的一种，更优选为镧(La)；
优选地，所述氯化铵为无水氯化铵；
优选地，所述填充粉料粒度为75-500μm。
8.权利要求1至7中任一项所述的多元素粉末共渗剂的制备方法，包括按照配比准备各原料，将除填充料的其它原料混合均匀，得到混合合金料，备用；用时将所述混合合金料与所述填充料按比例混合，即得。
9.权利要求1至7中任一项所述多元素粉末共渗剂在金属防腐中的应用；
所述应用是指所述多元素粉末共渗剂通过机械助渗在金属基材上形成厚度30-150μm 的多元合金渗层。
10.一种在金属基材表面形成多元合金渗层的方法，包括如下步骤：
1)金属工件表面预处理：除去表面油污，用0.1-0.3mm直径钢丸进行抛丸处理，露出金属基材；
2)机械助渗：先将25％-35％权利要求1至7中任一项所述多元素粉末共渗剂或者根据权利要求8所述制备方法制备的多元素粉末共渗剂均匀放入渗锌炉炉胆底部，再装好步骤1)预处理好的金属工件，最后放入剩余所述多元素粉末共渗剂，所述金属工件和所述多元素粉末共渗剂总体积占炉胆内空间的70-80％；密封炉胆，然后将炉胆推入炉膛内进行共渗处理，1h内匀速升温至390-430℃，炉胆转速为5-7r/min且正反交替转动的工况下保温2.5-4.5h；
3)冷却分离：将炉胆退出炉膛，并保持继续旋转，直至炉胆空冷至室温，停止转动，开盖取出金属工件，清除表面浮灰。
11.一种具有多元合金渗层的金属工件，所述多元合金渗层以权利要求1至7中任一项所述多元素粉末共渗剂或者根据权利要求8所述制备方法制备的多元素粉末共渗剂为原料，通过权利要求10所述方法在金属工件表面形成，厚度30-150μm；
所述金属工件包括但不限于交通领域混凝土桥梁用金属部件；优选地，所述交通领域混凝土桥梁用金属材料与部件包括混凝土桥梁预埋件、桥梁墩台吊围栏、桥梁栏杆和铁路简支T梁人行道钢横梁。
一种多元素粉末共渗剂及其应用
技术领域
[0001]本发明属于金属表面处理领域，具体涉及一种多元素粉末共渗剂及其在金属防腐中的应用。
背景技术
[0002]钢铁等金属由于其自身性质，会与其所接触的介质发生化学反应而改变其性质，称为金属腐蚀，从而给金属设备造成极大破坏。金属腐蚀问题是金属设备服役期间一直面临的问题，严重影响金属设备的服役寿命。
[0003]金属材料(设备)最常用的防腐方法是通过物理、化学或电化学的金属表面处理工艺在金属表面覆盖上金属、非金属或金属-非金属复合膜作为保护层，以阻止或减缓金属与所接触介质之间的化学反应。相关的金属表面处理技术包括热喷涂、电镀、热扩渗、表面磷化处理、金属或非金属涂层等。
[0004]热扩渗技术是用加热扩散的方式使欲渗金属或非金属元素渗入金属材料或工件的表面，从而形
成表面合金层的工艺。共渗是热扩渗技术应用最广泛的一种处理工艺，通过一次加热扩散，使多种元素同时渗入工件表层。共渗的出现，吸收了各种单元渗的优点，通过元素的配合弥补了单元渗的不足之处，使工件表面可以获得更好的综合性能，尤其是防腐性能。现有技术中已经出现了金属元素为主的共渗、非金属元素为主的共渗和稀土共渗。据门昕皓的综述，目前金属元素为主的共渗剂主要包括铝、铬、钛等，其中分别以铝或铬为主渗剂，能显著提高金属表面的性能，尤其是防腐性能(门昕皓.共渗工艺的研究应用及进展[J].内燃机与配件.2019年，第24期：91-92)。中国发明专利申请CN109136828A(公开日2019年1月4日)公开了一种在450℃的低温环境下制备出的Zn-Al-Ni防腐功能渗层，渗剂配比为：供渗剂锌粉20-50份、供渗剂铝粉5-25份、供渗剂镍粉0.5-5份、活化剂氯化铵0.1-2份、催化剂稀土0.1-2份、填充剂余量为Al2O3粉料；总份数为100份。
[0005]随着工程技术水平的提升，在恶劣地质条件中的各类工程越来越多，比如青藏高原等冻土地带、沿海等地的铁路、公路等。这些工程的上马修建，使得金属装备设施处于更加严苛的腐蚀环境中，对金属材料的防腐提出了更高的要求。
发明内容
[0006]针对现有技术存在的问题，本发明提供一种多元素粉末共渗剂，本发明的多元素粉末共渗剂经加热可以在基材表面形成具有优越耐腐蚀性能的防护层，从而保护在恶劣腐蚀环境下的金属工件，延长其服役寿命。本发明提供的所述多元渗剂所用元素储量多，有利于规模化生产和广泛应用。
[0007]为此，本发明采用了如下的技术方案：
[0008]一种多元素粉末共渗剂，原料包括：ZnAl15合金粉10-25份、ZnAl19Cr1合金粉3-15份、Zn粉0-5份、ZnBi5合金粉0-5份、氯化铵活化剂0.3-2份、稀土催化剂0.1-1份、余量为填充粉料，总份数为100份；所述填充粉料选自Al2O3颗粒或石英砂。
[0009]优选地，所述多元素粉末共渗剂，原料包括：ZnAl15合金粉12-18份、ZnAl19Cr1合金粉5-10份、Zn粉2-4份、ZnBi5合金粉2-4份、氯化铵活化剂0.8-1.5份、稀土催化剂0.4-0.8份、余量为填充粉料，总份数为100份；所述填充粉料选自Al2O3颗粒或石英砂。
[0010]优选地，上述多元素粉末共渗剂，所述ZnAl15合金粉、ZnAl19Cr1合金粉、Zn粉、ZnBi5合金粉平均粒径都小于75μm。
[0011]所述ZnAl19Cr1合金粉通过如下工艺制备得到：
[0012]将纯锌锭80份、AlCr5合金20份放入中空感应电炉中进行熔炼，熔炼温度730-800℃，充分熔化并搅拌均匀后，将获得的ZnAlCr合金熔液通过闭环绝氧离心雾化冷却，过筛去除粗颗粒，得到平均粒径小于75μm的ZnAl19Cr1合金粉。
[0013]本发明还提供一种多元素粉末共渗剂，原料包括：ZnAl15合金粉10-25份、ZnCu6.4Ni1.8合金
粉3-15份、Zn粉0-5份、ZnBi合金粉0-5份、氯化铵活化剂0.3-2份、稀土催化剂0.1-1份、余量为填充粉料，总份数为100份；所述填充粉料选自Al2O3颗粒或石英砂。[0014]优选地，所述多元素粉末共渗剂，原料包括：ZnAl15合金粉12-18份、ZnCu6.4Ni1.8合金粉5-10份、Zn粉2-4份、ZnBi5合金粉2-4份、氯化铵活化剂0.8-1.5份、稀土催化剂0.4-0.8份、余量为填充粉料，总份数为100份；所述填充粉料选自Al2O3颗粒或石英砂。
[0015]优选地，上述多元素粉末共渗剂，所述ZnAl15合金粉、ZnCu6.4Ni1.8合金粉、Zn粉、ZnBi5合金粉平均粒径都小于75μm。
[0016]所述ZnCu6.4Ni1.8合金粉通过如下工艺制备：
[0017]将纯锌锭90份、市售锌白铜粉末10份放入中空感应电炉中进行熔炼，熔炼温度880-950℃，充分熔化后，将获得的ZnCuNi合金熔液通过闭环绝氧离心雾化冷却，过筛去除粗颗粒，得到平均粒径小于75μm的Zn91.8Cu6.4Ni1.8合金粉；其中，所述市售锌白铜粉末为CuNi18Zn18，细度300目。
[0018]此外，本发明还提供一种多元素粉末共渗剂，原料包括：ZnAl15合金粉10-25份、ZnCu1Ti0.2合金粉5-15份、Zn粉0-5份、ZnBi5合金粉0-5份、氯化铵活化剂0.3-2份、稀土催化剂0.1-1份、余量为填充粉料，总份数为100份；所述填充粉料选自Al2O3颗粒或石英砂。[0019]优选地，所述多元素粉末共渗剂，原料包括：ZnAl15合金粉12-18份、ZnCu1Ti0.2合金粉5-10份、Zn粉2-4份、ZnBi5合金粉2-4
份、氯化铵活化剂0.8-1.5份、稀土催化剂0.4-0.8份、余量为填充粉料，总份数为100份；所述填充粉料选自Al2O3颗粒或石英砂。
[0020]优选地，上述多元素粉末共渗剂，所述ZnAl15合金粉、ZnCu1Ti0.2合金粉、Zn粉、ZnBi5合金粉平均粒径都小于75μm。
[0021]优选地，所述ZnCu1Ti0.2合金粉由市售的ZnCu1Ti0.2合金通过如下工艺制备：[0022]将市售ZnCu1Ti0.2合金板切成直径5mm以下块状，将小块状锌铜钛合金转移入中空感应电炉中进行熔炼，熔炼温度600-700℃，充分熔化后，将ZnCuTi合金熔液通过闭环绝氧离心雾化冷却，过筛去除粗颗粒，得到平均粒径小于75μm的ZnCu1Ti0.2合金粉。[0023]所述市售的ZnCu1Ti0.2合金板可以选用深圳市雄兴金属材料有限公司、海安润嘉有金属制品有限公司等生产的ZnCu1Ti0.2合金板。
[0024]优选地，所述ZnAl5合金粉通过如下工艺制备：
[0025]Zn和Al按质量百分比Zn：Al＝85％：15％进行配料，转移入中空感应电炉中进行熔炼，熔炼温度660-730℃，保温0.5-1h，充分搅匀，将ZnAl15合金熔炼液通过闭环绝氧离心雾
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